Les condensateurs

Les condensateurs, tout comme les résistances font partie de la catégorie de ce qu'on appelle les composants passifs.
On utilise les condensateurs en électronique pour des fonctions très variées. Des condensateurs miniaturisés se retrouvent même au cœur des mémoires dynamiques pour y enregistrer les bits sous forme de charges électriques.

Constitution

Les condensateurs, quelles que soient leurs dimensions, sont toujours construits suivant le même principe : un isolant mis en sandwich entre deux surfaces conductrices appelées armatures. L'isolant, aussi appelé diélectrique, est aussi mince que possible. Il empêche le passage du courant mais les charges électriques de signes différents sur chaque armature exercent une attraction au travers de l'isolant et s'accumulent, se pressent, se "condensent" de part et d'autre.

Lorsqu'on applique une tension continue aux deux armatures, l'une se charge d'électrons et l'autre de charges positives (absence d'électrons). Ces charges subsistent quand le condensateur est déconnecté. Il a emmagasiné de l'électricité.

On rencontre grosso modo deux types de condensateurs :

• Ceux qui sont dits "électrolytiques" n'ont que des armatures métalliques séparées par une solution chimique. Ce liquide soumis à une tension continue, crée par électrolyse une fine couche isolante à la surface des armatures. On peut de la sorte obtenir de fortes capacités sans pour autant avoir des composants trop volumineux.
  En revanche, il faut prendre garde à respecter la polarité. Les condensateurs électrolytiques sont polarisés. Ils ont un côté positif et l’autre négatif. Ils ne peuvent s’utiliser qu’en courant continu.
• Ceux dans lesquels une fine couche d'isolant sépare les deux armatures. Cet isolant, aussi fin que possible, occupe malgré tout un certain volume, si bien que les condensateurs réalisés de cette manière risquent vite d'être encombrants. Ils peuvent par contre fonctionner aussi bien en alternatif qu'en courant continu.

Représentation schématique

La présence d'un signe + indique qu'il s'agit de condensateurs qui ne peuvent servir qu'en courant continu.

Quantité d'électricité

La quantité d'électricité accumulée se compte en coulombs ( 1 C = 6,25 10¹⁸ électrons)
Cette quantité est proportionnelle à la "pression" avec laquelle on y a forcé les électrons, autrement dit, la tension U.

L'aptitude à emmagasiner des charges électriques est appelée capacité du condensateur. Elle se mesure en farad (F) à la mémoire du physicien anglais Faraday (1791-1867)

Ces trois valeurs sont reliées par la formule Q = C.U

Q représente la quantité d'électricité en coulomb (C)
C est la Capacité qui s'exprime en farads (F)
U est la tension en volts (V)

Capacité

La capacité d'un condensateur dépend de la nature du diélectrique. Elle est proportionnelle aux surfaces conductrices qui se font face et est inversement proportionnelle à la distance entre les deux armatures, ou ce qui revient au même, à l'épaisseur de l'isolant. Cette capacité diminue donc quand l'isolant est plus épais ce qui est indispensable si on veut y stocker l'électricité sous une tension plus élevée.

Un condensateur a une capacité de 1 farad s'il est capable d'emmagasiner 1 coulomb (6,25 10¹⁸ électrons) quand il est soumis à une tension de 1 volt.
Le farad est une unité énorme dont nous n'utilisons jamais que des sous-multiples :

• le microfarad µF (10 ^-6F),
• le nanofarad (10 ^-9F) nF
• et le picofarad pF (10 ^-12F)

Loi d'Ohm pour les condensateurs

En courant continu

Un condensateur vide raccordé à une source de tension continue se charge rapidement. Il commence par se comporter comme une résistance quasi nulle. Le courant de charge peut instantanément atteindre une valeur importante comme dans le cas d'un court-circuit mais l'intensité du courant décroît rapidement jusqu'à s'interrompre dès que le condensateur est chargé. Il se comporte alors comme une résistance infinie, ou presque, c’est celle de l’isolant qui sépare les deux armatures.

En courant alternatif

Lorsqu'on raccorde un condensateur à une source de tension alternative, il se charge dans un sens puis se décharge et se recharge dans l'autre sens et cela à chaque alternance. Le condensateur laisse donc passer le mouvement de va et vient des électrons.
On observe que le courant est en avance sur la tension. Dans un régime alternatif sinusoïdal, l'intensité instantanée dans le condensateur est maximale quand sa charge est nulle. L'intensité diminue puis s'annule dès que le condensateur est complètement chargé. Elle change ensuite de sens et décharge le condensateur, sa tension diminue puis devient négative.
On dit que l'intensité est en avance sur la tension. Autrement dit, U est en retard sur I.
Ce comportement est caractéristique des condensateurs. Ils S'opposent aux variations de tension.

Impédance

Le courant alternatif dans un condensateur est limité par sa capacité. Un gros condensateur laisse passer plus de courant qu'un condensateur de capacité moindre, puisqu'il peut charger et décharger instantanément des quantités d'électricité plus importantes. D'autre part, le passage du courant alternatif est plus facile si le va-et-vient des alternances est plus rapide. C'est-à-dire si la fréquence est plus élevée. L'obstacle qu'un condensateur oppose au passage du courant est l'impédance « Z »

L'impédance d'un condensateur s'exprime en Ohm « Ω » et est inversement proportionnelle à la fréquence du courant alternatif et à la capacité du composant.

Usages des condensateurs

• Dans les régulateurs ( grosses capacités)
  Le condensateur y sert d'accumulateur qui emmagasine les charges électriques quand la tension est haute et restitue ces charges quand la tension diminue. Le condensateur joue dans ce cas le rôle de réservoir tampon. Il s'oppose aux variations de tension.
• Pour le déparasitage ( "Capa de découplage")
  De petites capacités sont placées à proximité de chaque circuit intégré. Elles absorbent les brusques mais courtes fluctuations de tension que sont les parasites.
• Les condensateurs sont aussi utilisés pour créer des temporisations.
  

  C'est le principe du sablier : on combine un réservoir ( un condensateur) avec un conduit étroit par lequel doit s'écouler le courant (une résistance) Le temps pour vider ce sablier est proportionnel à la capacité du réservoir et à l'importance de la résistance. t est proportionnel au produit R.C Le système des unités est tellement bien fait que quand on multiplie des Farads par des Ohms on obtient … des secondes.

Charge et décharge d'un condensateur dans un circuit RC

Charge :
Le courant absorbé par le condensateur durant sa charge n'est pas constant. Il est fort au début, quand le condensateur est vide, mais l'intensité diminue d'autant plus que la charge du condensateur augmente. Si bien que théoriquement, il faudrait un temps infini pour que sa charge soit complète. Le temps R.C correspond à environ 63 % de la charge.

Décharge :
Inversement, durant la décharge, l'intensité est forte au début, quand la charge est maximale, mais elle diminue d'autant plus que la charge s'affaiblit. Le temsp R.C correspond à enviros 37 % de la décharge.

Effet capacitif indésiré

L'effet capacitif est parfois indésirable. Ainsi dans un câble qui transporte des signaux à haute fréquence, la capacité même faible qui se forme entre conducteurs voisins va y provoquer des accumulations de charges qui vont s'opposer aux fluctuations des signaux et empêcher d'aller au-delà de certaines fréquences. Ceci explique l'épaisseur relativement importante des isolants dans les câbles coaxiaux.

Labo

Mesure de la capacité d'un condensateur.

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Pour des explications plus complètes et moins ... condensées     🎓
www.electronique-et-informatique.fr/Les_condensateurs.php

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